Пример 1. Задание 3.1.Для двух, указанных по варианту молекул с позиций метода валентных связей показать образование молекул и ответить на следующие вопросы:

Задание 3.1. Для двух, указанных по варианту молекул с позиций метода валентных связей показать образование молекул и ответить на следующие вопросы:

3.1.1 Каков тип гибридизации центрального атома в молекуле и валентный угол между связями?

3.1.2 Сколько связей содержит молекула?

3.1.3. Определить полярность связей и полярность молекулы в целом.

3.1.4. Какова пространственная структура молекулы?

Для ответа на вопросы задания рассмотрим молекулу CdI_2.

3.1.1.Сначала определяем тип гибридизации центрального атома. Для этого выписываем валентные элекроны центрального атома ₄₈Cd.

5s

4d

Затем электроны переводим в возбужденное состояние

 

5s

 

5p

 

4d

 

 

Отмечаем, что у Cd имеются две внешние орбитали: s и р. Представим s- и р -орбитали на рис. 2.1.

Рис.2.1

Далее «проводим» валентные электроны ₅₃I. Так как I – p - элемент, то на рис. 2.1 к электронам Cd подрисовываем гантелеобразные p- орбитали йода,получаем схему молекулы CdI₂ (рис. 2.2)

 

Как видно из рис. 2.2 силы отталкивания между электронными орбиталями на участках I и II сильно различаются. С одной р- орбиталью йода кадмий связывается с помощью s -орбитали, а с другой - с помощью p -орбитали. Связи отличаются по форме и энергии. Такая молекула не будет устойчивой. Для образования устойчивой молекулы в центральном атоме происходит процесс гибридизации валентных орбиталей, который показан на рис 2.3.

 

 

Рис. 2.3

Гибридизация – это процесс,в результате которого происходит перестройка валентных орбиталей центрального атома и образование смешанных гибридных орбиталей, одинаковых по форме и энергии.

Таким образом, s + р = 2sp; по аналогии: s + р + р = 3sp²; s + р +

+ р + р + р = 4sp. Гибридные орбитали центрального атома - это заряженные поля и, отталкиваясь, они располагаются под определенным углом (валентный угол), чтобы образовалась устойчивая молекула: при гибридизации типа sp валентный угол составляет 180 sp² - 120 sp³ - 109 Расположение гибридных орбиталей согласно этим валентным углам показано в табл. 2.1.

 

 

Таблица 2.1

Тип гибридизации:

sp

sp2

sp3

Расположение гибридных орбиталей в пространстве
Теоретический валентный угол	1800	1200	1090

В соответствии с данными табл. 2.1 в молекуле Cdl2 реализуется sp-гибридизация, и валентный угол составляет 180⁰.

Чтобы изобразить молекулу в целом, остается показать перекрывание полученных гибридных орбиталей центрального атома с валентными орбиталями боковых атомов. В случае рассматриваемой молекулы CdI₂ боковым атомом является ₅₃I. Так как это р -элемент, то его валентные наружные электроны имеют орбиталь в виде гантели. В случае, если это будет s -элемент, форма орбитали имеет вид шара.

"Подводя" валентные орбитали йода к гибридным орбиталям кадмия, получаем схему молекулы CdI₂ (рис. 2.4).

I Cd I

Рис. 2.4

 

π - тип Рис. 2.5

3.1.2. Отметим наличие σ- и π-связей в молекуле. Если область перекрывания находится на оси связи, связь о типа (сигма тип), если область перекрывания не находится на оси связи, а расположена по обе стороны от оси связи - это – пи тип (пи тип) (рис. 2.5).

 

В случае CdI₂ в молекуле две ковалентные связи сигма – типа.

Определим полярность. Полярность связана с наличием диполя, обусловленного оттягиванием валентных электронов в сторону более электроотрицательного атома (Приложение 1). В случае молекулы CdI₂ более электроотрицательным элементом является йод. Поэтому связь Cd-I является полярной. Однако в целом молекула неполярна, так как при наличии двух диполей оттягивание электронов идет в обе стороны одинаково, и дипольные моменты взаимно компенсируются.

3.1.3. Разберем вопрос о пространственной структуре молекулы. Пространственная структура молекулы связана с типом гибридизации центрального атома и расположением боковых атомов вокруг центрального атома (табл. 2.2).

Таблица 2.2 Тип гибридизации sp sp2 sp3 sp3 sp3 Пространственная структура (форма) молекулы линейная треуголь-ная тетраэдри­ческая пирами­дальная угловая

Как видно из табл. 2.2 при sp ³ гибридизации может реализоваться тетраэдрическая форма, пирамидальная или угловая в зависимости от числа боковых атомов (4, 3, 2 - соответственно). Из рис. 2.4 следует, что молекула CdI₂ имеет линейную форму.

Рассмотрим еще одну молекулу OF₂. Выписываем валентные электроны центрального атома - кислорода.

2p

2s

 

Далее надо перевести в возбужденное состояние. Однако, так как во втором слое нет свободных (пустых) орбиталей, эту операцию пропускаем. Если в качестве центрального атома будет похожий элемент, но находящийся в третьем периоде, то для таких простых молекул, которые предлагаются в задании не следует при возбуждении переводить электроны с 3 s и 3 p на 3d,так как на это необходимы большие затраты энергии.

Определяем тип гибридизации. Для этого производим «сложение»: s + p + p +p =4 sp³. при этом не следует писать 2s или 2p, так как речь идет не об электронах (на 2s подуровне), а их действительно 2, а об орбиталях, т.е пространства вероятного нахождения электронов. Рисуем четыре оси и гибридные облака. Подводим валентные орбитали F (это – p- элемент). Получаем угловую молекулу с теоретическим валентным углом 109⁰ (рис.2.7)

 

Рис. 2.7

Отдельные связи О-F - полярные, молекула в целом тоже полярна, так как в вершине угла заряд со знаком "+", а в противоположной стороне " ". Происходит оттягивание электронов в сторону F, т.е. образуется диполь.